目录

第5章 量子电路

量子电路和量子电路图

使用Qiskit生成量子电路

借Qiskit实现的单量子比特电路

关于Qiskit的QuantumCircuit类和通用门方法

多量子比特门

Qiskit电路中的经典寄存器与测量

可逆运算 

常见量子电路模型

使用X门制备壹态

交换两个量子比特

练习和问题

第5章 量子电路

学习本章之目的，在于会看会画量子电路（Quantum Circuit），故而在接下来的学习过程中，不可避免地要画很多电路图——手工地或电脑地，各位可以回想一下初中时学习经典电路图时经历，画的愈多，纠错愈及时到位，这块儿就可以称得上是拿下了。利用本章介绍的量子电路的可视化表示形式，可以轻松地定义量子电路，而无须引用数学或使用编程语言。现在，打开IDE，拿出纸笔，准备开画吧！

量子电路和量子电路图

特别声明：书中所引量子电路图均是本地代码生成，而笔者为了方便，本文中所引图基本上来自于IBM Quantum平台内的Quantum Composer，当然，无论是底层代码还是形式逻辑都相差不多。

请看下图：

首先我们看到最左一侧：有两个量子比特 / 量子寄存器（分别用q0和q1表示）以及相应的经典寄存器（用c2联合表示两个寄存器）。接着我们看到很多如同导线的水平线，将一系列量子门串联起来！这里注意：在量子电路中，每一条量子道（体会“量子道”一词的内涵）的起始量子态都是零态；而每一个经典道的起始经典比特都会被初始化为0。

如上所述，我们看到该图表示的数学无异于，但同时我们还注意到有两个量子寄存器的存在，故而更严谨的表述是：，量子门对应各自量子态而作用.留心量子门在不同形式下的作用方向！

对于多量子门，以CNOT为例，图示如下，实心圆代表控制位，十字空心圆表示目标位：

 最后，就是测量（Measurement）了。我们用一个类似于仪表盘的符号代表测量过程：

 多次运行该电路，你将有50%的时间得到00，另50%的时间得到11.

IBM 将其量子电路图称为量子乐谱（Quantum Scores）。在IBM QX中，可以通过量子编辑器（Quantum Composer）创建量子乐谱，这也是借用了音乐的概念。到目前为止，我们学习过的所有门都可以在量子编辑器中找到，当然还有其他一些门。
尽管到目前为止我们已经学习的门形成了通用门集，也就是说，我们可以使用它们的组合来生成任何量子程序，但是在真实的量子计算机上，使用的门越少越好。这是因为每个门都需要时间来执行，门多则容易产生退相干，从而引发错误。

使用Qiskit生成量子电路

Qiskit全称量子信息科学包（Quantum Information Science Kit），是用于与IBM QX量子处理器一起使用的软件开发包。

借Qiskit实现的单量子比特电路

首先，导入创建量子寄存器、经典寄存器以及量子电路的工具：

from qiskit import QuantumCircuit, ClassicalRegister, QuantumRegister

接下来，使用Qiskit制作电路：

qr = QuantumRegister(1) #包含一个量子比特
circuit = QuantumCircuit(qr)
circuit.x(qr[0])

关于Qiskit的QuantumCircuit类和通用门方法

多量子比特门

假设要使用Qiskit为CNOT构造一个电路，其中|"+”>作为控制量子比特，|"0" >作为目标量子比特。首先，需要创建一个容纳两个量子比特的量子寄存器，使用的语句为qr = QuantumRegister(2)。其次，需要将寄存器中的每个量子比特作为QuantumCircuit类的cx方法的参数。cx的第一个量子比特参数是控制量子比特，第二个参数是目标量子比特。具体代码如下:

qr = QuantumRegister(2)
circuit = QuantumCircuit(qr)
circuit.h(qr[0])
circuit.cx(qr[0],qr[1])

Qiskit电路中的经典寄存器与测量

qr = QuantumRegister(2)
cr = ClassicalRegister(2)
circuit = QuantumCircuit(qr, cr)
circuit.h(qr[0])
circuit.cx(qr[0], qr[1])
circuit.measure(qr, cr)

当然，测量时还可以指定经典寄存器： 

circuit.measure(qr[0], cr[1])

可逆运算 

一言以蔽之，对于矩阵A，如果有成立，则说B是A的逆矩阵.在量子计算中，每个门都是可逆的，但根据门的种类不同，逆矩阵也不同（当然也不唯一）：

常见量子电路模型

使用X门制备壹态

特别声明：在IBM QX中，IBM采用的方式与教科书相反，也就是上述的10和01在IBM QX中被理解为01和10，这和阅读方向有很大关系！

交换两个量子比特

 注意：虽然例子中给出的是基态，实际上该交换算法对于混合态一样成立！

练习和问题

欢迎加入Qiskit交流群: 1064371332